GMR 센서 기반 와전류 계측을 이용한 금속재료의 소성변형 비파괴 추정|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

When the tensile stress applied to the metal material of a structure exceeds its yield strength, plastic deformation occurs. This deformation accelerates fatigue crack initiation, and the progressive growth of these cracks can lead to structural failure. However, since plastic deformation often shows no clear outward change, a diagnostic technique capable of quantitative estimation is required. Therefore, this study proposes a method for quantitatively estimating the location and magnitude of plastic deformation in metal materials based on Eddy-current (EC) measurements using Giant Magneto-Resistance (GMR) sensors.
For this research, Aluminum (Al6061-T6) and Stainless Steel (SUS304), commonly used structural metals, were used as experimental specimens. Tensile tests were performed on each specimen with varying tensile stresses to produce specimens with strain levels of 0%, 1%, 3%, 5%, and 10%.
The central part of the specimens was designed to be thinner, thereby inducing plastic deformation to localize specifically in the center of each specimen.
Eddy-current Testing (ECT) is a technique that evaluates the condition of a material by inducing eddy currents within the material using a magnetic field generated by a coil, forming a secondary magnetic field, and then measuring the resulting electromagnetic response (primarily electrical conductivity). When plastic deformation occurs, electrical properties such as electrical resistivity and conductivity change due to changes in the material's internal lattice structure. ECT is utilized to measure these changes in electrical properties to estimate plastic deformation.
This study derived a relationship between the relative change in the phase value and the plastic strain by combining a relational expression between electrical resistivity and plastic strain, and a relational expression between electrical resistivity and the phase value of the EC measurement signal, which were both presented in previous research. This derivation supports the theoretical validity of using the relative phase change for plastic deformation estimation in this study.
The Giant Magneto-Resistance (GMR) sensor consists of a multilayer structure of ferromagnetic thin films and non-magnetic metal spacer thin films. Due to this structure, the sensor's resistance changes sensitively in response to an external magnetic field, which is known as the Giant Magneto-Resistance effect. The GMR effect allows for high-sensitivity, direct measurement of changes in the secondary magnetic field induced within the material by eddy currents, making it advantageous compared to other EC pickup coil methods.
By using ECT combined with a GMR sensor, the rate of change in the phase value of the EC measurement signal of the plastically deformed material was measured to determine the location and magnitude of the material's plastic deformation.
The specimens were divided into five sections, and the phase value of the EC measurement signal was measured for each section. Analysis of the measured values showed that the plastic deformation was concentrated in the center of the specimens. Furthermore, after deriving a relational equation based on the 0%, 1%, 3%, 5%, and 10% strain specimens, a blind validation was performed using specimens with 2% and 7% strains. In this validation, the maximum error in plastic deformation estimation was predicted to be within 2.759%, thereby verifying the validity of the proposed method.
These results confirm that GMR sensor-based ECT can quantitatively estimate the plastic deformation of metal materials. The findings of this study can be utilized for assessing the safety and diagnosing damage in metal materials and are expected to evolve into a diagnostic algorithm technology for automatically estimating plastic deformation in the future.

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국문 초록 (Abstract)

구조물의 금속재료에 작용한 인장응력이 항복강도를 초과할 경우 소성변형이 발생한다. 소성변형은 피로 균열을 촉진시키고 이러한 피로 균열이 점진적으로 증가하거나 발전할 경우 구조적인 파괴로 이어질 수 있다. 그러나 소성변형은 외관상 변화가 뚜렷하지 않기 때문에 이를 정량적으로 추정할 수 있는 진단 기법이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 거대자기저항(GMR, Giant Magneto-Resistance) 센서를 사용해 와전류(Eddy-current) 계측을 기반으로 금속재료의 소성변형 위치 및 정도를 정량적으로 추정하는 기법을 제안하였다.
본 연구에서는 구조물에 흔하게 사용되는 금속재료인 알루미늄(Al6061-T6) 및 스테인리스 스틸(SUS304)을 실험 시편으로 사용하였다. 각 시편에는 인장응력을 달리해 인장시험을 진행하여 0%, 1%, 3%, 5%, 10%의 변형률을 가진 시편을 제작하였으며, 시편의 중앙부를 얇게 설계하여 소성변형이 각 시편의 중앙부에 국부적으로 발생할 수 있게 유도하였다.
와전류 탐상법은 코일에서 생성된 자기장으로 재료 내에 와전류를 유도하여 2차 자기장을 형성하게 한 후, 나타나는 전자기 응답(주로 전기전도도)을 계측하여 재료의 상태를 평가하는 기법이다. 소성변형이 발생할 때, 재료 내부 격자 구조 변화로 전기저항, 전기전도도와 같은 전기적 특성이 변화하는데 와전류 탐상법을 이용하여 이러한 전기적 특성 변화를 계측하여 소성변형을 추정하였다.
본 연구에서는 선행 연구에서 제시된 전기저항과 소성변형률의 관계식, 전기저항과 와전류 계측 전기신호의 위상값의 관계식을 바탕으로 두 관계식을 결합하여 본 연구의 위상값 상대 변화율과 소성변형률의 관계식을 유도하였다. 이는 본 연구의 위상값 상대 변화율을 활용한 소성변형의 이론적 타당성을 뒷받침한다.
거대자기저항 센서는 강자성 금속 박막과 비자성 금속 스페이서 박막의 다층구조로 이루어져 있다. 이러한 구조로 인해 주변 자기장에 따라 센서 내의 저항이 민감하게 변화하는 성질을 가진다. 이를 거대자기저항 효과라 일컫는다. 거대자기저항 효과는 와전류에 의해 유도된 재료 내부의 2차 자기장의 변화를 직접적으로 측정해 고감도로 감지할 수 있어, 다른 와전류 픽업 코일 방식에 비해 유리하다. 와전류 탐상법과 거대자기저항 센서를 사용하여 소성변형이 일어난 재료의 와전류 계측 신호의 위상값 변화율을 계측해 재료의 소성변형 위치 및 정도를 파악하였다.
시편을 25 mm씩 다섯 부분으로 나눠 와전류 계측 신호의 위상값을 계측하였다. 계측된 값을 분석한 결과, 소성변형이 시편의 중앙부에 집중되어 있음을 도출하였다. 또한, 0%, 1%, 3%, 5%, 10%의 변형률을 가진 시편을 바탕으로 관계식을 도출한 뒤, 2%와 7%의 변형률을 가진 시편으로 블라인드 검증을 수행하였다. 이때 소성변형의 최대 오차는 2.759 % 이내로 예상되어 제안된 방법의 타당성을 검증하였다.
이와 같은 결과를 통해 GMR 센서 기반 와전류 탐상법으로 금속재료의 소성변형을 정량적으로 추정할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 금속재료의 안전성 파악 및 손상 진단에 활용 가능하며, 향후 소성변형을 자동으로 추정하는 진단 알고리즘 기술로 발전될 수 있을 것으로 기대된다.

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구조물의 금속재료에 작용한 인장응력이 항복강도를 초과할 경우 소성변형이 발생한다. 소성변형은 피로 균열을 촉진시키고 이러한 피로 균열이 점진적으로 증가하거나 발전할 경우 구조...

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